高渗透裂缝性、缝洞型地层钻完井过程中井漏严重且堵漏成功率低^[1–3]，建立井漏特征识别方法是防治井漏的关键，也是当前研究热点。根据漏失机理与发生原因，井漏可分为渗透性漏失、裂缝性漏失和溶洞型漏失^[4]，其中裂缝性漏失包括天然裂缝漏失和诱导裂缝漏失。漏失压差是分析井漏特征的关键参数^[5]。石林等人^[6–7]提出了地层极小漏失压力模型，并给出了漏失压差与地层孔隙压力、破裂压力的关系。国内外专家学者对漏失压差的见解不同，提出的模型也有差别，需根据实际地质工程条件选择合适的模型确定漏失压差。随着勘探开发不断深入，国内主要油田的井漏问题日渐突出，井漏层位确定方法也在不断发展。甘秀娥等人^[8–9]基于常规测井、成像测井资料分析，提出利用漏失层段测井响应特征来确定漏层的方法。钻井工程资料也广泛应用于确定井漏层位，陈钢花等人^[10]在传统立压变化测试法基础上，通过引入井径测井曲线，根据钻具组合和井身结构分段计算，使立压变化测试法趋于完善，井漏层位判断更加准确。

目前，多位专家对井漏特征识别方法进行了理论研究与实际应用探索，在漏失类型划分、漏失压力计算及漏失层位确定方法等方面均取得了进展。然而，目前国内外井漏特征识别一般局限于单一或部分信息资料，没有从多角度出发综合分析井漏的主要影响因素，缺乏对井漏主要特征参数的定量化分析，难以全面精细反映井漏特征。为此，笔者综合利用测井、钻井、录井及地质等资料，建立了考虑漏失层位、漏失通道类型及尺寸、漏失压差、漏失速度等井漏主要特征参数的定量化分析模型，形成了井漏特征精细识别方法，提高了井漏识别的准确性，为防漏堵漏技术优化提供了科学依据。

1.   多信息融合的井漏特征识别基本原理

井漏是钻井过程中普遍存在的井下复杂情况，在各类地层中都可能发生。鉴于目前国内外井漏特征识别方法的局限性，提出了多信息融合的井漏特征精细识别方法。该方法充分利用多信息及多参数资料，综合测井、钻井、录井及地质等资料，建立了漏失层位、漏失通道类型及尺寸、漏失压差、漏失速度等关键参数的分析模型，以综合细化表征井漏特征。

首先，依据井漏产生的基本条件，并结合漏层力学性质与物理机理，建立了基于“井漏综合指数”的井漏层位识别新方法。针对渗透性漏失特点，通过分析物性参数确定平均孔喉半径，得到了渗透性井漏通道参数；对于裂缝性漏失，利用深、浅侧向电阻率测井资料计算裂缝开度，确定漏失裂缝尺寸。地层孔隙压力、地层破裂压力与井眼压力共同决定漏失压差大小。若地层存在原始漏失通道，则漏失压差主要为井眼压力与地层孔隙压力之差（压差漏失）；若为诱导裂缝性漏失通道，则漏失压差主要为井眼压力与地层破裂压力之差（压裂漏失）。然后，基于漏失层位、漏失通道类型及尺寸、漏失压差和漏失速度等井漏特征参数分析结果，形成了多信息融合的井漏特征精细识别方法。

2.   井漏特征参数分析

X区块为断鼻构造，发育4条断层，构造落实，但距离断层较近。实钻过程中，井漏情况日益增多，且堵漏困难，导致钻井液大量漏失，严重影响正常施工。据不完全统计，水基钻井液井漏14井次，共计漏失1 758.3 m³，油基钻井液井漏13井次，共计漏失2 035.6 m³。准确定位井漏层位是堵漏作业能否成功的关键。

2.1   井漏层位分析

基于发生井漏的基本条件，分析了井壁两侧正压差、岩石孔隙度、渗透率与漏失层的相关性，如图1所示。由图1可知，漏层井壁两侧正压差略高于非漏层，且漏层物性较好，二者在井壁两侧正压差上区分较明显，在物性上区分不明显，说明X区块井壁两侧正压差对井漏的影响较显著。

图  1  基于力学性质与物理性质的井漏相关性分析

Figure  1.  Correlation analysis of lost circulation based on mechanical and physical properties

下载: 全尺寸图片 幻灯片

基于以上分析结果，综合地层孔隙压力、地层破裂压力、井眼压力等力学性质与岩石孔隙度、渗透率、岩石平均孔喉半径等物理性质，通过分析X区块已漏井资料，建立了采用加权系数法计算“井漏综合指数”、确定井漏层位的新方法，井壁两侧正压差较大、物性较好的渗透性地层容易发生井漏。因此，渗透性地层井漏综合指数经验公式为：

式中：$\xi$为井漏综合指数；$r$为地层平均孔喉半径，$\text{μm}$；$\mathop D\nolimits_{50}$为钻井液固相颗粒粒度累计质量分数为$50\%$时对应的粒径，$\text{μm}$；$\mathop {\Delta p}\nolimits_{\max }$，$\mathop {\Delta p}\nolimits_{\min }$为漏失压差的最大、最小值，MPa；$\mathop \phi \nolimits_{\max }$，$\mathop \phi \nolimits_{\min }$为孔隙度的最大、最小值；$\mathop K\nolimits_{\max }$，$\mathop K\nolimits_{\min }$为渗透率的最大、最小值，mD；$\mathop \alpha \nolimits_{\Delta p}$，$\mathop \alpha \nolimits_\phi$和$\mathop \alpha \nolimits_K$分别为漏失压差、孔隙度、渗透率的权重。

权重由实际地层因素决定，对X区块已漏井相关数据进行总结^[11]，进行统计回归分析发现，该区块的权重$\mathop \alpha \nolimits_{\Delta p}$，$\mathop \alpha \nolimits_\phi$和$\mathop \alpha \nolimits_K$分别取0.6，0.2和0.2时，井漏层位判断更为准确。井漏综合指数大于0.8，即可判断为井漏。

2.2   漏失通道类型及尺寸分析

渗透性地层的平均孔喉直径大于钻井液$\mathop D\nolimits_{50}$的3倍时，在压差作用下，易发生渗漏^[12]；裂缝性地层的裂缝开度大于钻井液$\mathop D\nolimits_{50}$时，在压差条件下易发生井漏。因此，将地层平均孔喉半径、裂缝开度作为2种典型漏失地层漏失通道评价参数。

2.2.1   渗透性地层孔喉半径预测

1） 孔隙度计算。单矿物含水泥质岩石模型适用于X区块孔隙度计算，主要利用密度测井值计算：

式中：${\rho _{\text{b}}}$为密度测井测得密度，kg/L；${\rho _{\text{f}}}$和${\rho _{{\text{ma}}}}$分别为孔隙流体和岩石骨架的密度，kg/L；V_sh为泥质含量；ρ_sh为泥岩密度，kg/L；$\phi$为岩石孔隙度。

2）渗透率计算。根据X区块实际资料分析结果，选用Timur公式计算渗透率：

式中：${S_{{\text{wb}}}}$为束缚水饱和度；$K$为绝对渗透率，mD。

3）孔喉半径预测。先利用式（2）、式（3）计算地层的孔隙度与渗透率，然后计算地层的平均孔喉半径：

2.2.2   裂缝性地层裂缝开度预测

双侧向测井响应特征能反映裂缝特征，利用其可以计算不同倾角下的裂缝开度^[12]。高角度裂缝开度的计算公式为：

低角度裂缝开度的计算公式为：

式中：$w$为裂缝开度，$\text{μm}$；$\mathop C\nolimits_{{\rm{LLD}}}$，$\mathop C\nolimits_{{\rm{LLS}}}$分别为深、浅侧向电导率，S/m；$\mathop C\nolimits_{{\text{mf}}}$为钻井液滤液的电导率，S/m。

其中，裂缝倾角由深、浅侧向电阻率确定。

2.3   漏失压差计算模型分析

漏失压差是研究钻井液漏失性质的关键参数。从压差角度和井漏基本条件方面分析，漏失压差是井漏时井壁两侧流体的正压差。根据地层胶结压实程度与漏失通道特征，建立了不同井漏情况下的漏失压差分析模型。

高孔、高渗或存在天然裂缝、溶洞的地层，井筒内压力大于地层孔隙压力即可能发生井漏，漏失压差近似于：

式中：$\Delta p$为漏失压差，MPa；$\mathop p\nolimits_{\text{b}}$为井眼压力，MPa；$\mathop p\nolimits_{\text{p}}$为地层孔隙压力，MPa。

低孔、低渗胶结压实程度较好的地层，井筒内压力大于地层破裂压力，可产生诱导裂缝性漏失。诱导裂缝性漏失的漏失压差计算公式为：

式中：$\mathop p\nolimits_{\text{f}}$为地层破裂压力，MPa。

2.3.1   地层孔隙压力预测

X区块测井资料较丰富，且测井资料连续性好、纵向分辨率高，能更好地反映地层实际状况。采用测井法预测地层孔隙压力时，主要利用声波时差、密度测井等资料，预测方便、适用性好，可计算出地层孔隙压力随深度连续变化的剖面。

式中：$\mathop G\nolimits_0$为上覆岩层压力梯度，由密度测井资料求得^[13]，MPa/m；$\mathop G\nolimits_{\text{n}}$为静水压力梯度，MPa/m；$\mathop H\nolimits_{\text{a}}$和${{\displaystyle H}}_{\text{b}}$分别为地层深度及等效深度，m。

2.3.2   地层破裂压力预测

泊松比能反映地层破裂压力，可利用声波测井资料计算泊松比，然后采用R. A. Anderson^[14]的地层破裂压力预测模型计算地层破裂压力。

式中：$\mu$为泊松比；$\mathop p\nolimits_0$为上覆岩层压力，MPa。

2.3.3   井眼压力计算

井眼压力是井筒内工作液作用于地层的压力，是井漏的主要驱动力。其中，井眼压力主要包括钻井液静液柱压力、环空压耗及波动压力^[15]。实际钻井过程中，波动压力只发生在起下钻、下套管、停泵及开泵的瞬间，且操作规范时波动压力较小，往往可忽略不计。因此，确定井眼压力时主要考虑钻井液静液柱压力和环空压耗：

式中：$\mathop p\nolimits_{\text{h}}$为钻井液静液柱压力，MPa；$\mathop p\nolimits_{{\text{la}}}$为环空压耗，MPa。

钻井液静液柱压力与钻井液密度及垂深有关：

式中：$\mathop \rho \nolimits_{\text{d}}$为钻井液密度，kg/L；$g$为重力加速度，m/s²；$\mathop H\nolimits_{\text{v}}$为垂深，m。

钻井液在井内循环系统中以管内流动和环空流动为主，因此产生环空压耗^[16]。钻井工程中常用宾汉模式和幂律流变模式计算环空压耗。其中，宾汉模式适用于宾汉塑性流体，而幂律模式适用于假塑性流体和膨胀流体^[17–18]。X区块钻井液流变性能分析结果表明，该区块所用钻井液为宾汉流体，因此利用宾汉模式计算环空压耗：

式中：$\mathop \mu \nolimits_p$为钻井液塑性黏度，Pa·s；$H$为井深，m；${v_0}$为井筒内钻井液平均流速，m/s；$\mathop \tau \nolimits_0$为钻井液屈服值，Pa；${{D}}$为钻杆内径，mm。

2.4   漏失速度分析及井漏等级划分

2.4.1   漏失速度的统计学分析模型

对X区块漏失地层的漏失压差、钻井液性能、漏失速度等资料进行统计分析，发现漏失压差与漏失速度的相关性较好^[19]。对漏失压差和漏失速度进行最小二乘拟合，建立X区块漏失压差与漏失速度的关系（见图2），幂函数拟合结果的相关性最好，拟合相关系数为0.863 2。

图  2  漏失压差与漏失速度统计分析结果

Figure  2.  Statistical analysis of pressure difference and velocity of lost circulation

下载: 全尺寸图片 幻灯片

计算出漏失压差后，即可确定钻井液漏失速度：

式中：${{\displaystyle v}}_{\text{loss}}$为钻井液漏失速度，m³/h。

2.4.2   漏失速度理论分析模型推导

借鉴油田开发注水分析技术思路^[20]，利用达西渗透公式与拟稳态流动基本微分方程进行推导，建立了稳态流和非稳定流状态下漏失速度的计算模型。

若钻井液为稳定流状态，利用达西定律推导出的漏失速度为：

若钻井液为非稳定流状态，拟稳态流动基本微分方程及边界条件为：

将式（16）和式（17）代入式（15），得：

式中：$h$为地层厚度，m；$\mathop p\nolimits_{\text{e}}$为井漏影响区域边界压力，MPa；$\mathop p\nolimits_{\text{w}}$为井底压力，MPa；$\mathop p\nolimits_{\text{n}}$为静水压力，MPa；${{B}}$为水体积系数；$\mathop r\nolimits_{\text{e}}$为侵入半径，m；${{\displaystyle r}}_{\text{w}}$为井眼半径，m；${{S}}$为表皮效应系数。

3.   实例分析

X区块地层岩性以砂砾岩和泥岩交互层为主，结合区块地质、录井岩性剖面和漏失统计数据等资料，分析认为该区的漏失主要是渗透性漏失。因此，利用单孔隙泥质砂岩测井解释模型计算该区块A井岩性、物性参数，结合多信息融合井漏特征识别方法，得到目标地层的平均孔喉半径、地层孔隙压力、地层破裂压力、井眼压力、漏失速度和井漏综合指数等井漏特征参数。A井多信息融合井漏特征精细识别方法的处理结果如图3所示。

图  3  A井多信息融合井漏特征识别方法的处理结果

Figure  3.  Processing result of lost circulation characteristic identification method with multi-information fusion for Well A

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图3可知，A井易漏地层井筒压力大于地层孔隙压力而小于地层破裂压力，满足压差漏失条件。其中，2 900～2 904 m、2 916～2 919 m井段的井漏综合指数为0.81～0.98，地层平孔喉半径为4.46～4.67 $\text{μm}$，井漏可能性较高。基于地质资料与测井解释结果，分析确定易漏层段为砂砾岩地层，与校正后的岩性录井剖面基本一致，漏失压差为7.11～9.46 MPa，计算出漏失速度为2.5～4.5 m³/h（微漏）。A井实钻过程中2 901～2 903 m井段发生井漏，平均漏速为1.5～52.0 m³/h，为渗透性漏失，漏层岩性为砂岩、砂砾岩。采用井漏特征精细识别方法识别出的A井井漏层位、漏失类型和漏失速度，与现场实际井漏情况基本吻合。地层井漏特征精细识别模型具有较高可信度，适用于X区块的井漏特征识别，可应用于X区块邻井未钻易漏地层的地层对比，以及根据邻井随钻测井和现场工程资料识别井漏特征，为该区块后续钻井开发提供理论模型支撑。实钻中，A井邻井根据地层井漏特征精细识别结果配制堵漏浆，一次性堵漏成功，说明该方法能够指导现场防漏堵漏作业。

4.   结论与建议

1）结合井漏基本条件及X区块地层漏失特征，建立了基于“井漏综合指数”的多信息融合的井漏特征精细识别方法。该方法识别井漏层位准确率较高，为井漏高效防治提供了技术途径。

2）测井资料具有连续性好、纵向分辨率高的特点，利用测井资料地层孔隙压力和地层破 裂压力剖面，比传统的预测方法更能准确反映地层 的漏失压差，但局限于测井资料实时性差的特点， 适用于已钻井邻井漏失压差预测。

3）多信息融合的井漏特征精细识别方法，能够识别漏失层位、漏失通道类型及尺寸、漏失压差、漏失速度等井漏的主要特征参数，实例分析结果表明其具有较好的可靠性。但该方法对所需参数资料的要求较高，在参数资料缺乏的情况下，无法有效预测井漏，后续应着力于研究参数资料较少时准确预测井漏特征的方法。

致谢：衷心感谢张振华、焦小光两位专家对本文研究工作的贡献与支持！